顱腦ct嬰幼兒與成年人所受輻射劑量的對比研究

1、<p>　　顱腦CT嬰幼兒與成年人所受輻射劑量的對比研究</p><p>　　作者：張培功 殷志杰　秦東京 鄧大平 姜興岳 李祥林 荊紀(jì)英　李建平 </p><p>　　【摘要】 目的 測定嬰幼兒與成年人顱腦CT檢查接受輻射劑量的狀況，對此進(jìn)行對比分析并做出結(jié)論。方法 隨機(jī)選擇顱腦CT檢查嬰幼兒和成年人各61例，測量CT掃描患者體重。CT掃描均在120 kVp條件下完成, 其中

2、兒童曝光量為130 mAs，成人的曝光量為130 mAs(在小腦幕上結(jié)構(gòu))和150 mAs(在幕下結(jié)構(gòu))。從CT圖像上讀出掃描層厚和掃描層數(shù)。為精確估算輻射劑量，將患者頭部模擬為標(biāo)準(zhǔn)水模，選擇典型的第三腦室上部橫斷圖像測量矢狀徑、冠狀徑，用以模擬水模等值半徑、計算頭部平均層面劑量、傳遞給患者的X線能量以及相應(yīng)有效劑量。結(jié)果 嬰幼兒頭部的模擬水模等值半徑隨其體重呈增長趨勢，對于2 kg的新生兒和11 kg的嬰幼兒模擬水模等值半徑分別為38

3、.70 mm和75.33 mm。而成年人模擬水模等值半徑平均為87.63 mm，體重與其相關(guān)性較小。嬰幼兒顱頂顱底的平均層面劑量均是22.11 mGy，而成人顱頂平均層面劑量為16.21 mGy，顱底平均層面劑量為18.71 mGy。傳遞給嬰兒的能量大小與病人體重之間的關(guān)系(r2=0.527)遠(yuǎn)比成年人(r2=0.302)明顯。病人有效劑量與病人</p><p>　　【關(guān)鍵詞】 CT檢查;劑量測量;傳遞能量;有

4、效劑量;患者體重;頭部尺寸 </p><p>　　【Abstract】 Objective For routine noncontrast CT examinaton of the head,we compared the radiation doses of infant patients with those of adults in order to make a conclution.Methods Da

5、ta were obtained from 61 infants,and equal number of adults,who underwent CT head examination.Patient CT data acquired included weight of the patients,Xray tube potential(kVp),mAs,section thickness,and total number of s

6、ections.In order to get the accurate radiation dosimetry,the head was modeled as a uniform cylind</p><p>　　【Key words】 CT examination，radiation doses,energy imparted,effective doses,patient weight,head size

7、</p><p>　　瑞典學(xué)者Hall根據(jù)一項縝密的研究做出結(jié)論，嬰幼兒接受低劑量電離輻射會影響成人后的認(rèn)知能力[1];英國的一項權(quán)威研究結(jié)論認(rèn)為病人在CT檢查中所受的輻射劑量占總醫(yī)療輻射劑量的20% [2，3]。這些結(jié)論成為國際醫(yī)學(xué)界關(guān)注的熱點。美國醫(yī)學(xué)科學(xué)家Huda從劑量測量和CT掃描參數(shù)的設(shè)置等方面對受檢嬰幼兒和成人進(jìn)行了比較和分析，認(rèn)為患者接受劑量大小與其體重、CT掃描部位及CT掃描參數(shù)有關(guān)[4]。中國人

8、的體態(tài)及發(fā)育同歐美人有較大差異，我國影像工作者的CT掃描參數(shù)選擇與國際同行也有很大不同。因此，研究中國嬰幼兒和成人顱腦CT檢查中所受的輻射劑量并進(jìn)行測算、比較、分析是一個頗有意義的嶄新課題。本文嘗試對此做出一個較為科學(xué)的結(jié)論進(jìn)而迎合國際ALARA原則[5]。 </p><p><b>　　1 材料與方法 </b></p><p>　　1.1 CT檢查及圖像測量方法 從

9、2005年8月—2006年10月接受顱腦CT檢查患者中，篩除腦出血、大面積腦梗死、腦積水和顱內(nèi)腫瘤病例，選擇嬰幼兒與成年人各61例。其中嬰幼兒均為出生2 h～2歲的患兒。該組成年人的確定標(biāo)準(zhǔn)為體重≥40 kg的病人。采用GE公司Hispeed NX/I CT機(jī)，掃描基線為聽眥線。對于成年人常規(guī)頭部CT掃描，小腦幕下層面使用5 mm，掃描4層;小腦幕上層面10 mm，掃描8層，間隔與層厚相等。對于嬰幼兒，小腦幕下層面5 mm掃描4層，小腦

10、幕上層面7 mm或5 mm，間隔均與層厚相同，掃描至顱頂。圖像均采用標(biāo)準(zhǔn)軟組織過濾重建。用于測量計算所需數(shù)據(jù)：X線管電壓恒定為120 kVp，管電流、層厚、層數(shù)、病人頭部尺寸等資料在圖像中讀取。測量第三腦室上部層面矢狀徑2 a和冠狀徑2 b(如圖1所示)，為準(zhǔn)確估算輻射劑量，整個頭部被模擬為一個半徑為r(等值半徑)的標(biāo)準(zhǔn)水圓柱體。 </p><p>　　圖1 第三腦室上部層面矢狀徑2 a和冠狀徑2 b測量值 &l

11、t;/p><p>　　r=(abρ)0.5(1) </p><p>　　其中ρ是頭部橫斷面的平均密度值，本研究中ρ的值對于嬰幼兒和成年人分別為1.07和1.11 gcm3[6]。 </p><p>　　1.2 輻射劑量的計算(蒙特卡羅輻射劑量模擬方法) 平均層面劑量Dm，定義為全部輻射到病人或體模內(nèi)的能量與相應(yīng)直接受輻射的物體質(zhì)量的比值，對于一個CT層面，Dm的值可由

12、以下公式求得： </p><p>　　Dm=dm·X·Y (2) </p><p>　　在此dm是每一個單位軸向曝光量的平均劑量，通過對恒定的120 kVp的CT X線能譜的蒙特卡羅模擬技術(shù)按照下式計算得到[11]： </p><p>　　Log10 dm =(-3.03×10-6)·r2+(-0.00373)·r+

13、(0.0510)·dm (3) </p><p>　　dm的衰減是由近似窄束單能X線射入直徑變化的水模內(nèi)進(jìn)行模擬。X是每一單位mAs的軸向曝光量，是由放置于掃描野中心的MDH筆形電離室來測量得出。對于頭部掃描的雙排CT機(jī)，管電壓為120 kVp時，X平均測量的值為26 mR/mAs，(1 mR=2.58·10-7Ckg-1)。Y是完成掃描的mAs值，可從病人圖像中讀取。 </p>

14、<p>　　傳遞給病人的全部能量ε可用下列公式求得： </p><p>　　ε=MP·Dm (4) </p><p>　　MP是病人直接受電離輻射部位的質(zhì)量，在此病人頭部被模擬成一個水圓柱體，MP可用下列公式獲得： </p><p>　　MP=Nπr2T (5) </p><p>　　N：層數(shù)，T層厚，r值是用于模擬病人

15、頭部的水圓柱體的半徑，由公式(1)求得。 </p><p>　　對于接受頭部CT掃描的成年病人，傳遞給病人的能量可通過一轉(zhuǎn)換因子9.1 mSv/J[8]，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的有效劑量。 </p><p>　　對于接受頭部CT掃描的嬰幼兒，有效劑量可通過下列公式來計算得出： </p><p>　　E=ε·(E/ε)head·(70/M)(6) <

16、/p><p>　　這里(E/ε)head是傳遞給成年人CT檢查中能量的有效劑量率(9.1 mSv/J)，M為嬰幼兒的體重[7]，單位是kg 。公式(6)中70這一數(shù)值指的是成年人的平均體重70 kg[9] 。 </p><p>　　1.3 全部測量數(shù)據(jù)分別代入上述6個公式計算得出水模等值半徑、平均層面劑量、傳遞能量、有效劑量，應(yīng)用SAS統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理。 </p><

17、p><b>　　2 結(jié)果 </b></p><p>　　2.1 人口學(xué)統(tǒng)計狀況及模擬水模等值半徑(表1)　表1 本項研究中嬰幼兒與成年人群體的統(tǒng)計學(xué)特征 </p><p>　　表1總結(jié)了本項研究中嬰幼兒和成年人群體的統(tǒng)計學(xué)特征。嬰幼兒的平均年齡約為2.5個月，成年人平均年齡為40歲。嬰幼兒平均體重為4.46 kg，遠(yuǎn)低于成年人平均體重58.71 kg。成年人平均

18、體重低于參考體重70 kg，這是由于該項研究中包括了7名年齡在18歲以下，但體重超過40 kg的年輕人。 </p><p>　　由公式(1)算出兩組患者水模等值半徑，嬰幼兒水模等值半徑平均為56.18 mm較相應(yīng)成年人等值半徑平均值87.63 mm小36%。兒童水模等值半徑與成年人水模等值半徑間的巨大差異是頭部尺寸差異顯著的結(jié)果，兒童與成年人之間平均物理密度間差異(也就是3.6%)只會使水模等值半徑增加1.8%。

19、嬰幼兒頭部大小隨體重增加而增加，成年人頭部大小與體重間關(guān)系不明顯。 </p><p>　　表2總結(jié)了該項研究中用于掃描嬰幼兒和成年人的相關(guān)CT技術(shù)參數(shù)。相對于成年人， 嬰幼兒的CT掃描采用了較薄的層厚，更多層數(shù)。嬰幼兒平均的掃描全長為76.91 mm，比相應(yīng)的成人值(100 mm)少了近23%。所有病人都是在管電壓為120 kVp的情況下完成的，且所有成年人小腦幕下掃描都采用管電流150 mAs，小腦幕上管電流1

20、30 mAs。對嬰幼兒掃描時所選擇的管電流固定為130 mAs。 </p><p>　　表2 本項研究中用于掃描嬰幼兒和成年人群體的CT技術(shù)參數(shù) 參 數(shù)嬰幼兒平均值±標(biāo)準(zhǔn)差 最大值/最小值 成年人 平均值±標(biāo)準(zhǔn)差 最大值/最小值顱頂層厚(mm) 7.05±0.38 10/7 10±0 10/10顱底層厚(mm) 5±0 5/5 5±0 5/5顱頂層數(shù) 8

21、.03±0.25 10/8 8±0 8/8顱底層數(shù) 4.06±0.36 6/4 4±0 4/4顱頂(mAs ) 130±0 130/130 130±0 130/130顱底(mAs ) 130±0 130/130 150±0 150/150 </p><p>　　2.2 輻射劑量 由公式(2)求得平均層面劑量Dm，公式(4)求得傳遞給病

22、人的全部能量ε，公式(6)求得有效劑量。表3總結(jié)了嬰幼兒和成年人群體三種輻射劑量參數(shù)的(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)、各劑量參數(shù)相應(yīng)的最大值和最小值。平均層面劑量與體重之間無明顯的關(guān)聯(lián)。對于嬰幼兒，平均層面劑量數(shù)據(jù)圍繞著平均值22.11 mGy有較大離散。對于成年人，絕大部分的平均層面劑量數(shù)據(jù)分布都十分靠近平均值18.71 mGy。對于嬰幼兒，隨病人體重的增加，傳遞的能量總體呈增長趨勢，兩個參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)(r2)為0.527。這與成年

23、人的數(shù)據(jù)形成對比，傳遞的能量與成年人的體重間并無明顯的關(guān)聯(lián)(r2=0.302)。對嬰幼兒(r2=0.683)和成年人(r2=0.302)，有效劑量和病人體重間并無明顯關(guān)聯(lián)。 </p><p>　　頭部尺寸小，原發(fā)X線衰減就會降低，從而導(dǎo)致平均層面劑量的增加。在一固定的130 mAs，水模等值半徑從38.70 mm增至75.33 mm，將會使平均層面劑量從26.281 mGy降至18.12 mGy，降幅達(dá)31%。這

24、一結(jié)論提示我們，嬰幼兒頭部CT掃描輻射劑量隨頭部尺寸變化。事實上，根據(jù)病人的水模等值半徑有效地調(diào)整mAs值，將會使嬰幼兒和成年人具有相同的平均層面劑量Dm值。 </p><p>　　從數(shù)據(jù)上看，嬰幼兒的平均層面劑量要高于成年人的平均層面劑量，但傳遞能量卻低于成年人相應(yīng)的值，這主要由于成年人的頭顱掃描范圍要大于嬰幼兒的掃描范圍。嬰幼兒的有效劑量值遠(yuǎn)高于成年人的有效劑量值，這主要是因為二者的體重存在著巨大的差異。表3

25、 本項研究中嬰幼兒和成年人群體三種輻射劑量參數(shù) </p><p><b>　　3 討論 </b></p><p>　　本項研究采用的劑量計算方法是蒙特卡羅輻射劑量模擬法，不同于目前通行的CTDI輻射劑量估算方法。由于該方法是對每位患者的掃描典型層面進(jìn)行實際測量，因此對于個體輻射劑量估算而言這種方法更接近CT掃描患者單個樣本的實際值。根據(jù)實驗，已被確認(rèn)有80%的符合度[

26、10]。由于實驗中我們只是計算一個典型CT層面的平均層面劑量，導(dǎo)致有效劑量間的差異達(dá)30%[11]，但對于病人劑量評估的目的，這種不確定的水平是可以接受的。蒙特卡羅輻射劑量模擬法作為臨床輻射劑量計算方法簡便易行具有良好的推廣價值。 </p><p>　　本項研究汲取了美國放射學(xué)家Huda等人的研究成果。他們采用水模分別模擬了嬰幼兒和成年人的頭顱，測算了CT掃描標(biāo)準(zhǔn)圖像的mAs值條件下，60 KeV和80 KeV的

27、單能光子(這代表了CT掃描光子能量的平均值[12，13])通過水模時能量傳遞的結(jié)果。證明了可應(yīng)用蒙特卡羅輻射劑量模擬法計算CT檢查中傳遞給患者的輻射能量。 </p><p>　　評估輻射對個體或群體的傷害時，應(yīng)該將諸如器官相對輻射敏感性、誘發(fā)癌癥的風(fēng)險及基因影響等因素考慮進(jìn)去[14]。有效劑量(E)是直接與誘發(fā)癌癥及基因影響等隨機(jī)輻射風(fēng)險產(chǎn)生聯(lián)系的。通過將頭部CT檢查的有效劑量與自然本底劑量3 mSv來進(jìn)行比較，

28、可對CT檢查中病人所受的輻射量提出一個警示。正常身高的成年病人接受頭部CT檢查時，其有效劑量約為0.45 mSv，而嬰幼兒的有效劑量約為 3.25 mSv，超過了自然本底劑量3 mSv。對于嬰幼兒，這種產(chǎn)生癌變和對基因影響的隨機(jī)輻射風(fēng)險比成年人更大[15，16]，因此研究一種降低嬰幼兒CT劑量而又不會影響診斷成像表現(xiàn)的方法顯得十分重要。 </p><p>　　從實驗的內(nèi)容我們看到，傳遞的能量值與所選的管電流、掃描

29、時間、層厚、CT檢查的總層數(shù)呈直線相關(guān)?？捎脗鬟f的能量來估計CT技術(shù)因素中相應(yīng)改變的風(fēng)險，如mAs，頭部掃描長度等。同其他X線成像檢查一樣，CT檢查中所傳遞的輻射劑量需要同生成的圖像質(zhì)量間有一個平衡，選擇掃描嬰幼兒的輻射劑量應(yīng)同所要求的能產(chǎn)生滿意診斷的信噪比聯(lián)系起來[17]。一定程度上CT圖像的對比度和空間分辨率并不依賴于輻射量。 </p><p>　　我們期望通過進(jìn)一步的研究，能夠優(yōu)選出一種對接受CT檢查的嬰幼

30、兒較為合適的輻射防護(hù)方法。我們根據(jù)患兒頭顱尺寸設(shè)計了CT掃描曝光參數(shù)，應(yīng)用Arac等學(xué)者的圖像評價法[18]檢測相應(yīng)的圖像質(zhì)量，結(jié)果掃描完成的圖像完全可以滿足診斷要求。這與實驗中mAs值都固定在130 mAs形成對比，輻射劑量降低了40%。當(dāng)我們進(jìn)行CT成像時將病人頭顱尺寸考慮進(jìn)去，這類似于屏片成像檢查中的參數(shù)選擇操作。這對于我國目前頭部CT檢查時固定掃描參數(shù)而言，向降低輻射劑量方向上邁出了一大步。 </p><p&

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